EP0205756B1 - Arbeitpunktstabilisierter linearisierter Wanderfeldröhrenverstärker - Google Patents
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- EP0205756B1 EP0205756B1 EP86102988A EP86102988A EP0205756B1 EP 0205756 B1 EP0205756 B1 EP 0205756B1 EP 86102988 A EP86102988 A EP 86102988A EP 86102988 A EP86102988 A EP 86102988A EP 0205756 B1 EP0205756 B1 EP 0205756B1
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- H03F3/54—Amplifiers using transit-time effect in tubes or semiconductor devices
- H03F3/58—Amplifiers using transit-time effect in tubes or semiconductor devices using travelling-wave tubes
Definitions
- the invention relates to a traveling wave tube amplifier according to the preamble of patent claim 1.
- predistortion networks are usually connected upstream of the traveling wave tube amplifiers.
- Such predistorter networks the amplitude and phase transfer characteristics of which are inverse to the characteristics of the traveling wave tube amplifiers, are known, for example, from EP-A-0047 825 and 5th International Conference of Digital Satellite Communications, 1981, Genoa "Nonlinear Satellite Channel Design for QPSK / TDMA Transmission". From the latter publication it is also known to connect a limiter network downstream of a predistorter network. The linearization process of such a traveling wave tube amplifier is deteriorated by changes in the operating point due to changes in ambient temperature and signs of aging.
- a transmission amplifier is known with a predistorter, a variable attenuator between the predistorter and a downstream amplifier, a further variable attenuator at the input of the circuit and an intermodulation measuring device.
- the further variable attenuator is controlled by a threshold controller, the input signal of which is derived from the output signal of the amplifier.
- a control signal for the attenuator is generated from the output of the intermodulation measuring device via a microprocessor.
- the invention is based on the preamble of claim 1, to provide a traveling wave tube transmitter amplifier which limits the intermodulation distortion, in particular in the case of a transmitter amplifier housed in a satellite, to a required extent, regardless of the overload, the ambient temperature change and the aging.
- This object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.
- the subclaims show advantageous configurations.
- the invention has the advantage that the linearization effect is retained even in the event of oversteer, temperature changes, aging effects or other environmental influences.
- the maximum required supply power is limited by limiting the output power.
- the invention shows a simple and inexpensive implementation for reducing intermodulation distortions. Malfunctions that can be suppressed by measures on board, for example shifts in the working point due to temperature changes, are effectively suppressed by automatic control circuits on board. Communication channels from and to the satellite are not additionally burdened by this. Only those faults that cannot be automatically remedied on board, e.g. Aging effects are suppressed by readjusting the transmitter amplifier using a remote control signal.
- a multicarrier message signal to be amplified is supplied to input A in the gigahertz range.
- This message signal is forwarded to a predistorter VZ via an attenuator VD with adjustable attenuation a.
- the structure of this predistorter VZ is explained in more detail in connection with FIG. 4.
- the predistorter VZ has an amplitude and phase response which is inverse to the amplitude and phase response of the traveling wave tube amplifier WRV and is therefore suitable for compensating for its nonlinear distortions.
- a pre-amplifier with limiter VB is connected to the pre-distorter VZ.
- the preamplifier is provided in order to adapt the output level of the predistorter VZ to the required input level of the traveling wave tube transmitter amplifier WRV.
- the limiter connected downstream of the preamplifier or integrated in the latter is provided for limiting the input power of the traveling wave tube transmitter amplifier WRV, so that the traveling wave tube cannot be driven beyond the point at which the output power begins to decrease.
- the power supply device SV supplies the necessary voltages for the traveling wave tube and the collector current.
- the linearly amplified multi-carrier message signal is available at output E.
- a signal proportional to the collector current IC of the traveling wave tube is obtained via the power supply device SV.
- the collector current IC can be taken as a measure of the output power.
- the signal proportional to the collector current IC controls the variable attenuator VD via a threshold controller SR.
- the threshold value controller SR then emits a signal to increase the attenuation a of the attenuator VD when the signal proportional to the collector current IC contains a reference chip which is also supplied to the threshold value controller SR Ur exceeds. If the collector current IC rises as a result of overmodulation at the signal input A and the output power thus rises, the attenuation a is increased, which in turn counteracts an increase in the collector current IC. This limits the power delivered by the traveling wave tube and thus also the power consumed. Aging effects, which are expressed in shifts in the working point (changes in gain), cannot be compensated for by such a standard measure.
- a remote control signal FS is supplied, in particular to the preamplifier or the downstream limiter VB, which must have a strictly linear amplification for input signals up to a certain level and which should have as ideal a limiter function as possible above this certain level.
- This remote control signal FS is obtained on the basis of an intermodulation measurement using a test signal. If the traveling wave tube transmitter amplifier is an amplifier in a satellite, this remote control signal FS expediently consists of a telecommunications signal.
- a multi-tone signal is sent to the satellite. The now distorted signal received by the satellite from the ground station is evaluated in relation to these distortions.
- a corresponding remote control signal FS is sent to the satellite receiving device ES.
- the intermodulation measurement is evaluated by means of the receiving device ES of the satellite.
- the intermodulation measurement can be carried out, for example, in accordance with "IEEE Transactions on Communication Technology, Vol. COM-18, No.1, 1970, pages 37-48.
- the modified transmitter amplifier according to FIG. 2 corresponds to the circuit according to FIG. 1 except for the acquisition of the input signal for the threshold value controller SR.
- the input signal for the threshold value controller SR is not proportional to the collector current IC in FIG. 2 Signal taken from the power supply device SV, but a signal is used which is proportional to the output power PA of the traveling wave tube amplifier WRV.
- This signal is taken from an evaluation device AE at the output of the traveling wave tube amplifier WRV.
- the evaluation device can be, for example, a power detector measuring the root mean square or a bolometer.
- At least one of the modules predistorter VZ, preamplifier with limiter VB, traveling wave tube amplifier WRV has a temperature control circuit.
- these modules are assigned temperature sensors TF1, TF2, TF3, which are coupled to setting elements E1, E2, E3.
- These setting elements E1, E2, E3 can be, for example, PIN diode attenuators, dual-gate field-effect transistors, or devices for adjusting the operating point of transistors.
- the variable attenuator VD as shown in Fig. 3, consists of a 3 dB, 90 ° coupler K, which is terminated at two gates with pin diodes PD.
- the other two gates form input E D and output A D of the coupler.
- These gates lead to the input and output of the variable attenuator via a DC blocking capacitor C B each.
- the pin diodes PD are each supplied with 2/4-long microstrip line pieces TL, which represent an idle state for the RF signal, the output signal U SR of the threshold value controller SR.
- the structure of the predistorter VZ is shown schematically in FIG. 4. It consists of a bridge circuit with two 3 dB / 90 ° couplers K1 and K2 at the input and output. Coupler K1 splits the input signal of the predistorter into two branches. These two branches are combined again with the coupler K2 to form an output signal.
- the linear branch there is the series connection of a solid phase shifter FP and a variable phase shifter VP.
- the non-linear branch there is the series circuit comprising a variable attenuator AD1 and an amplitude distorter AV, which is advantageously designed as a backward diode network.
- the amplitude distorter AV is coupled to the temperature sensor TF1.
- the output of the temperature sensor TF1 carries a control signal by means of which the variable attenuator AD2 adjusting element E1 downstream of the predistorter can be set in FIG. 1 or 2.
- This variable attenuator AD2 can consist, for example, of a pin-diode attenuator as in FIG. 3 or can be constructed from dual-gate field-effect transistors or from devices for adjusting the operating point of transistors.
- Fig. 5 shows the basic structure of the preamplifier with limiter VB.
- This device consists of the series connection of an amplifier V with an adjustable gain factor, a limiting network BN with a fixed or adjustable threshold, preferably an FET limiter, for example known from "Nonlinear Satellite Channel Design for QPSK / TDMA Transmission", Vth International Conference of Digital Satellite Communications, March 23-26, 1981, Genoa, Italy, and a variable attenuator AD3 adjusting element E2 in FIGS. 1 and 2 - which in turn can be constructed like the attenuator according to FIG. 3.
- the limiting network BN is assigned a temperature sensor TF2, which adjusts the attenuation value a 3 of the attenuator AD3 as a function of the temperature of the limiting network and also determines the amplification factor of the amplifier.
- the remote control signal FS is fed to the amplifier V and the limiting network BN via the satellite receiving device ES.
- the power supply device SV of the traveling wave tube transmitter amplifier WRV for the exemplary embodiment according to FIG. 1 has, in addition to the outputs for the voltages of the traveling wave tube and the output AK for the collector current IC, an additional output ZA which has a signal proportional to the collector current IC supplies and which is directly connected to the threshold controller SR.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Wanderfeldröhrenverstärker gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Zum Ausgleich der Nichtlinearitäten in Wanderfeldröhrenverstärkern, die unerwünschte Intermodulationsprodukte im Mehrträgerbetrieb verursachen, werden den Wanderfeldröhrenverstärkern üblicherweise Vorverzerrernetzwerke vorgeschaltet. Derartige Vorverzerrernetzwerke, deren Amplituden- und Phasentransfercharakteristiken invers zu den Charakteristiken der Wanderfeldröhrenverstärker verlaufen, sind beispielsweise bekannt aus EP-A-0047 825 und 5th International Conference of Digital Satellite Communications, 1981, Genua "Nonlinear Satellite Channel Design for QPSK/TDMA Transmission". Aus letztgenannter Veröffentlichung ist es außerdem bekannt, einem Vorverzerrernetzwerk ein Begrenzernetzwerk nachzuschalten. Durch Arbeitspunktänderungen infolge von Umgebungstemperaturänderungen und Alterungserscheinungen wird der Linearisierungsprozeß eines solchen Wanderfeldröhrenverstärkers verschlechtert.
- Aus der EP-A-0 040 127 ist ein Sendeverstärker bekannt mit einem Vorverzerrer, einem variablen Dämpfungsglied zwischen dem Vorverzerrer und einem nachgeschalteten Verstärker, einem weiteren variablen Dämpfungsglied am Eingang der Schaltung sowie einer Intermodulationsmeßvorrichtung. Das weitere variable Dämpfungsglied wird über einen Schwellwertregler gesteuert, dessen Eingangssignal vom Ausgangssignal des Verstärkers abgeleitet ist. Vom Ausgang der Intermodulationsmeßvorrichtung wird über einen Mikroprozessor ein Steuersignal für das Dämpfungsglied erzeugt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ausgehend vom Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen Wanderfeldröhren Sendeverstärker anzugeben, welcher die Intermodulationsverzerrungen insbesondere bei in einem Satelliten untergebrachten Sendeverstärker auf ein gefordertes Maß begrenzt, unabhängig von der Übersteuerung, der Umgebungstemperaturänderung und der Alterung. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Ausgestaltungen auf.
- Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß der Linearisierungseffekt auch bei Übersteuerung, Temperaturänderungen, Alterungseffekten oder sonstigen Umwelteinflüssen erhalten bleibt. Außerdem wird durch die Begrenzung der Ausgangsleistung die maximal erforderliche Versorgungsleistung beschränkt. Diese Eigenschaften sind beim Einsatz des Sendeverstärkers an Bord eines Satelliten besonders wichtig.
- Die Erfindung zeigt eine einfache und aufwandsgünstige Realisierung zur Verminderung von Intermodulationsverzerrungen auf. Störungen, die sich durch Maßnahmen an Bord unterdrücken lassen, beispielsweise Arbeitspunktverschiebungen durch Temperaturänderungen, werden durch selbsttätige Regelkreise an Bord wirksam unterdrückt. Kommunikationskanäle vom und zum Satelliten werden hierdurch nicht zusätzlich belastet. Nur solche Störungen, die an Bord nicht automatisch beseitigt werden können, z.B. Alterungseffekte, werden durch Nachstellung des Sendeverstärkers mittels eines Fernsteuersignals unterdrückt.
- Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1 ein Blockschaltbild eines stabilisierten Sendeverstärkers,
- Fig. 2 ein Blockschaltbild für einen modifizierten Sendeverstärker,
- Fig. 3 den Aufbau des variablen Dämpfungsgliedes,
- Fig. 4 den Aufbau des Vorverzerrers,
- Fig. 5 den Aufbau des Vorverstärkers mit Begrenzer,
- Fig. 6 den Aufbau der Stromversorgungseinrichtung des Wanderfeldröhren-Sendeverstärkers.
- Im Blockschaltbild des Wanderfeldröhren-Sendeverstärkers zur Verwendung in einem Satelliten gemäß Fig. 1 wird ein zu verstärkendes Mehrträger-Nachrichtensignal im Gigahertz-Bereich dem Eingang A zugeführt. Über ein Dämpfungsglied VD mit einstellbarer Dämpfung a wird dieses Nachrichtensignal an einen Vorverzerrer VZ weitergeleitet. Der Aufbau dieses Vorverzerrers VZ wird im Zusammenhang mit Fig. 4 noch näher erläutert. Der Vorverzerrer VZ besitzt einen Amplituden- und Phasengang, welcher invers zum Amplituden- und Phasengang des Wanderfeldröhrenverstärkers WRV ist und somit geeignet ist, dessen nichtlineare Verzerrungen zu kompensieren. An den Vorverzerrer VZ schließt sich ein Vorverstärker mit Begrenzer VB an. Der Vorverstärker ist vorgesehen, um den Ausgangspegel des Vorverzerrers VZ an den geforderten Eingangspegel des Wanderfeldröhren-Sendeverstärkers WRV anzupassen.
- Der dem Vorverstärker nachgeschaltete oder in letzteren integrierte Begrenzer ist vorgesehen zur Begrenzung der Eingangsleistung des Wanderfeldröhren-Sendeverstärkers WRV, so daß die Wanderfeldröhre nicht über jenen Punkt hinaus ausgesteuert werden kann, bei dem die Ausgangsleistung niedriger zu werden beginnt. Die Stromversorgungseinrichtung SV liefert die nötigen Spannungen für die Wanderfeldröhre und den Kollektorstrom. Das linear verstärkte Mehrträger-Nachrichtensignal ist am Ausgang E verfügbar. Über die Stromversorgungseinrichtung SV wird ein Signal proportional zum Kollektorstrom IC der Wanderfeldröhre gewonnen. Der Kollektorstrom IC kann hierbei als Maß für die Ausgangsleistung angenommen werden. Über einen Schwellwertregler SR steuert das dem Kollektorstrom IC proportionale Signal das variable Dämpfungsglied VD. Der Schwellwertregler SR gibt dann ein Signal zur Erhöhung der Dämpfung a des Dämpfungsgliedes VD ab, wenn das dem Kollektorstrom IC proportionale Signal eine dem Schwellwertregler SR ebenfalls zugeführte Referenzspannung Ur übersteigt. Bei infolge von Übersteuerungen am Signaleingang A steigendem Kollektorstrom IC und damit steigender Ausgangsleistung wird also die Dämpfung a vergrößert, was wiederum einem Ansteigen des Kollektorstromes IC entgegenwirkt. Die von der Wanderfeldröhre abgegebene und somit auch die aufgenommene Leistung wird hierdurch begrenzt. Alterungseffekte, die sich in Arbeitspunktverschiebungen (Verstärkungsänderungen) äußern, können durch eine solche Regelmaßnahme nicht ausgeglichen werden. Deshalb wird, insbesondere dem Vorverstärker oder dem nachgeschalteten Begrenzer VB, der für Eingangssignale bis zu einem bestimmten Pegel eine streng lineare Verstärkung aufweisen muß und oberhalb dieses bestimmten pegels eine möglichst ideale Begrenzerfunktion aufweisen soll, ein Fernsteuersignal FS zugeführt. Dadurch wird entweder die lineare Verstärkung des Begrenzers oder die Begrenzerschwelle unabhängig von den Alterungserscheinungen der Systemkomponenten optimal an die Wanderfeldröhren- und Vorverzerrercharakteristik angepaßt. Dieses Fernsteuersignal FS wird aufgrund einer Intermodulationsmessung anhand eines Testsignals gewonnen. Wenn der Wanderfeldröhren-Sendeverstärker ein Verstärker in einem Satelliten ist, besteht dieses Fernsteuersignal FS zweckmäßigerweise aus einem Telekommandsignal. Um die Intermodulationsmessung durchzuführen, wird ein Mehrtonsignal zum Satellitengesendet. Das durch die Bodenstation vom Satelliten empfangene jetzt verzerrte Signal wird in Bezug auf diese Verzerrungen ausgewertet. Zur Dptimierung der Einstellung des Vorverstärkers VB wird ein entsprechendes Fernsteuersignal FS an die Satellitenempfangseinrichtung ES gesendet.
- Ausgewertet wird die Intermodulationsmessung mittels der Empfangseinrichtung ES des Satelliten. Die Intermodulationsmessung kann beispielsweise gemäß "IEEE Transactions on Communication Technology, Vol. COM-18, No.1, 1970, Seiten 37-48 erfolgen.
- Der modifizierte Sendeverstärker gemäß Fig. 2 entspricht bis auf die Gewinnung des Eingangssignals für den Schwellwertregler SR der Schaltung nach Fig. 1. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird bei Fig. 2 als Eingangssignal für den Schwellwertregler SR nicht ein zum Kollektorstrom IC proportionales Signal aus der Stromversorgungseinrichtung SV entnommen, sondern es wird ein Signal verwendet, welches proportional zur Ausgangsleistung PA des Wanderfeldröhrenverstärkers WRV ist. Dieses Signal wird einer Auswerteeinrichtung AE am Ausgang des Wanderfeldröhrenverstärkers WRV entnommen. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise ein Leistungsdetektor Messung des quadratischen Mittelwertes - oder ein Bolometer sein.
- Zur Verminderung von Intermodulationsverzerrungen durch Temperaturänderungen weist mindestens eine der Baugruppen Vorverzerrer VZ, Vorverstärker mit Begrenzer VB, Wanderfeldröhrenverstärker WRV einen Temperaturregelkreis auf. Dazu sind diesen Baugruppen Temperaturfühler TF1, TF2, TF3 zugeordnet, die mit Einstellelementen E1, E2, E3 gekoppelt sind. Diese Einstellelemente E1, E2, E3 können beispielsweise PIN-Dioden-Dämpfungsglieder, Dual-Gate-Feldeffekttransistoren, bzw. Einrichtungen zur Arbeitspunktverstellung von Transistoren sein.
- Die bis jetzt in den Figuren 1 und 2 nur prinzipiell dargestellten Baugruppen werden nun im Einzelnen in ihrer Schaltungskonfiguration dargestellt und erläutert.
- Das variable Dämpfungsglied VD besteht, wie in Fig. 3 dargestellt, aus einem 3 dB, 90°-Koppler K, der an zwei Toren mit Pin-Dioden PD abgeschlossen ist. Die beiden anderen Tore bilden Eingang ED und Ausgang AD des Kopplers. Über jeweils einen Gleichspannungsabblockkondensator CB führen diese Tore zum Ein- bzw. Ausgang des variablen Dämpfungsgliedes. Zur Einstellung der Dämpfung wird den Pin-Dioden PD jeweils über 2/4-lange Microstrip-Leitungsstücke TL, die für das RF-Signal einen Leerlauf darstellen, das Ausgangssignal USR des Schwellwertreglers SR zugeführt.
- Der Aufbau des Vorverzerrers VZ ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Er besteht aus einer Brückenschaltung mit zwei 3 dB/90°-Kopplern K1 und K2 am Ein- und Ausgang. Durch den Koppler K1 wird das Eingangssignal des Vorverzerrers auf zwei Zweige aufgespalten. Diese beiden Zweige werden mit dem Koppler K2 wieder zu einem Ausgangssignal zusammengefaßt. Im oberen Zweig, dem linearen Zweig, befindet sich die Serienschaltung aus einem Festphasenschieber FP und einem variablen Phasenschieber VP. Im unteren, dem nichtlinearen Zweig, befindet sich die Serienschaltung aus einem variablen Dämpfungsglied AD1 und einem Amplitudenverzerrer AV, der vorteilhafterweise als Backwarddioden-Netzwerk ausgebildet ist. Der bisher beschriebene Teil des Vorverzerrers VZ, in Fig. 4 strichpunktiert dargestellt, ist prinzipiell bekannt, beispielsweise aus der US-PS 4,068,186. Erfindungsgemäß ist der Amplitudenverzerrer AV mit dem Temperaturfühler TF1 gekoppelt. Bei Temperaturerhöhung des Amplitudenverzerrers AV führt der Ausgang des Temperaturfühlers TF1 ein Steuersignal, mittels dessen das dem Vorverzerrer nachgeschaltete variable Dämpfungsglied AD2 Einstellelement E1 in Fig. 1 oder 2-eingestellt werden kann. Dieses variable Dämpfungsglied AD2 kann beispielsweise aus einem Pin-Dioden-Dämpfungsglied wie in Fig. 3 bestehen oder aus Dual-Gate-Feldeffekttransistoren, bzw. aus Einrichtungen zur Arbeitspunktverstellung von Transistoren, aufgebaut sein.
- Fig. 5 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Vorverstärkers mit Begrenzer VB. Diese Einrichtung besteht aus der Serienschaltung eines Verstärkers V mit einstellbarem Verstärkungsfaktor, einem Begrenzungsnetzwerk BN mit fester oder einstellbarer Schwelle, vorzugsweise einem FET-Limiter, beispielsweise bekannt aus "Nonlinear Satellite Channel Design for QPSK/TDMA Transmission", Vth International Conference of Digital Satellite Communications, March 23-26, 1981, Genua, Italien, sowie einem variablen Dämpfungsglied AD3 Einstellelement E2 in Fig. 1 und 2 -, welches wiederum wie das Dämpfungsglied gemäß Fig. 3 aufgebaut sein kann. Dem Begrenzungsnetzwerk BN ist ein Temperaturfühler TF2 zugeordnet, der in Abhängigkeit der Temperatur des Begrenzungsnetzwerks den Dämpfungswert a3 des Dämpfungsgliedes AD3 nachstellt und auch den Verstärkungsfaktor des Verstärkers mitbestimmt. Über die Satellitenempfangseinrichtung ES wird, wie zuvor geschildert, dem Verstärker V und dem Begrenzungsnetzwerk BN das Fernsteuersignal FS zugeführt.
- Wie Fig. 6 zeigt, weist die Stromversorgungseinrichtung SV des Wanderfeldröhren-Sendeverstärkers WRV für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 neben den Ausgängen für die Spannungen der Wanderfeldröhre und dem Ausgang AK für den Kollektorstrom IC einen zusätzlichen Ausgang ZA auf, der ein Signal proportional zum Kollektorstrom IC liefert und der direkt mit dem Schwellwertregler SR verbunden ist.
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